一种产生多线条结构光的光学系统技术领域
本发明涉及光学系统设计领域，具体涉及一种产生多线条结构光的光学系统。
背景技术
结构光三维测量技术是采用计算机视觉方法，利用相机与结构光对目标物体进行
非接触测量，结构光三维测量技术因具有非接触、测量精度高、处理速度快、自动化程度高
等优点，已经应用于许多领域。结构光三维测量技术的原理是将激光或者白光投射到需要
测定的物体表面，利用CCD相机获取其图像，经过图像处理得到目标点的亚像素坐标，再分
析测量系统的模型，就可以得到物体表面轮廓的三维信息。
根据激光器的类型可以将结构光三维测量分为点结构光和线结构光两种方法，线
结构光测量方法具有光条图像易检测、测量装置不复杂，测量分辨率高等优点，实际测量中
应用前景相比于点结构光测量方法应用的更多。目前市面上应用最广的是一字线结构光测
量系统，也是最基础的一种结构光测量系统。一字线结构光三维测量基本原理是将被测物
体放置于平面上，一字线结构光透射到平面上时是一条连续的光线，然而当一字线结构光
投射到物体表面上时，由于工件表面和平面高度不一致，光线因此会发生变形，从光线变形
量中解调出对应物体的三维信息，完成对物体的三维测量。通过这个变形量进行特殊算法
就可得到工件的三维信息从而完成三维测量。
传统的一字线结构光三维测量因为只有单条线的缘故，单次测量携带的信息量
少，需要在对工件进行逐条测量，当检测较大面型较大面积的物体时，一字线结构光的速率
不高，因此我们提出一种可产生多线条结构光的光学系统，根据具体测量需要调整线条数
量，多线条结构光相比于单线条结构光在三维测量时测量速率大幅提高，而且这种光学系
统可广泛适用于不同复杂情况三维测量的结构光的生成。
发明内容
本发明针对三维测量中，单线条结构光对于较大被测物品测量速率不高的缺点，
设计了一种可根据不同测量物体产生不同数量线条结构光的光学系统。
本发明采用的技术方案为：一种产生多线条结构光的光学系统，包括一个激光器、
线条产生器(鲍威尔棱镜或柱镜)、聚焦镜和一个衍射元件。所述聚焦镜放置于激光器与衍
射元件中间，所述线条产生器放置于聚焦镜与衍射元件中间。
作为优选，所述激光器为激光二极管，发射出基模高斯光。
作为优选，其中聚焦镜作用是根据需求调整聚光镜与激光器的距离从来使光在工
作区聚焦产生所需结构光。
作为优选，其中线条产生器(鲍威尔棱镜或柱镜)作用为将点光源转变为线光源。
作为优选，其中衍射光学元件起到分束作用，将单线条光分束成多线条光。
作为优选，其中衍射元件和线条产生器的位置可以相互对调，系统各元件的相对
位置可依次为激光器、聚焦镜、线条产生器(鲍威尔棱镜或柱镜)、衍射元件，亦可依次为激
光器、聚焦镜、衍射元件、线条产生器(鲍威尔棱镜或柱镜)。
作为优选，所述线条产生器(鲍威尔棱镜或柱镜)将激光束划成光密度均匀、稳定
性高、直线型好的一条直线。
作为优选，所述衍射元件为衍射光栅，作用是将单光线分束为多光线(光线分束
器)。
作为优选，激光器发射出基模高斯光根据工作面距离设置特定聚光镜，光线由聚
光镜进行聚焦，线条产生器使激光束通过后划成直线。
作为优选，入射激光经过衍射元件(光线分束器)与线条产生器(鲍威尔棱镜或柱
镜)卷积在工作区形成特定数量的多线条结构光线。
本发明与现有技术相比的优点在于：
与现有单线结构光相比，多线条结构光能够在三维测量时相比单线条提高测量速
率，另外，根据不同需要可以设计不同的衍射元件产生不同数量线条的结构光，适用性更
广。这种产生多线条结构光的光学系统调节简单、操作方便、应用范围广泛。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进
一步的详细描述，其中：
图1为产生7线结构光的光学系统图；
图2为产生七线结构光的光学系统中鲍威尔棱镜与衍射元件安装时相对位置的示
意说明图；
图3为鲍威尔棱镜结构示意图；
图4为产生5线结构光的光学系统图；
图5为柱镜的工作原理图；
图6为产生五线结构光的光学系统中柱镜与衍射元件安装时相对位置的示意说明
图。
具体实施方式
下面通过实施范例，并结合附图对本发明进一步具体说明。
实施例1
如图1所示，本光学系统，包括1-激光器，2-聚焦镜，3-鲍威尔棱镜，4-衍射元件。
如图1所示产生7线结构光场的光学系统，激光器为激光二极管，发射出基模高斯
光，激光通过聚焦镜在工作区聚焦，衍射元件尺寸为5mm*6mm，线条产生器选型为鲍威尔棱
镜，衍射元件为衍射光栅，衍射元件与鲍威尔棱镜垂直安放在300mm外的工作区可得到1*7
线结构光场。
聚焦镜物距像距与焦距的关系式为其中u代表物距，v代表像距，f代
表焦距，本实例所用聚焦镜的焦距为1mm，像距为300mm，因此物距即聚焦镜与激光器的距离
约为1mm。
衍射元件与鲍威尔棱镜的相对位置如图2所示，安放时根据结构光场调整衍射元
件与鲍威尔棱镜的相对位置，调整正确位置后固定从而保证所得结构光场正确。
本实例所用鲍威尔棱镜如图3所示，鲍威尔棱镜参数设置。已知其所用材料折射率
n＝1.45653497。光线从鲍威尔棱镜到空气的出射角按照60°计算，从而可计算入射角：θi＝
arcsin(sin(30)/n)＝20.0769，底部口径按直径2mm的光斑计算，可求得光线在鲍威尔棱镜
上表面的拓展宽度l＝2×tan(θ)×(8.25-1/tan(θ))＝4.0.306mm。
实施例2
如图4所示，本光学系统包括1-激光器，2-聚焦镜，3-柱镜，4-衍射元件。
产生5线结构光场的光学系统，激光器为激光二极管，发射出基模高斯光，激光通
过聚焦镜在工作区聚焦，衍射元件尺寸为5mm*6mm，线条产生器选型为柱镜，衍射元件为衍
射光栅，衍射元件与柱镜垂直安放在300mm外的工作区可得到1*5线结构光场。
聚焦镜物距像距与焦距的关系式为其中u代表物距，v代表像距，f代
表焦距，本实例所用聚焦镜的焦距为1mm，像距为300mm，因此物距即聚焦镜与激光器的距离
约为1mm。
本实例所用柱镜如图5所示，所用柱镜为正柱面透镜，点光源发射的光线，经由柱
镜形成线条光线。
衍射元件与柱镜的相对位置如图6所示，安放时根据结构光场调整衍射元件与鲍
威尔棱镜的相对位置，调整正确位置后固定从而保证所得结构光场正确。